电动（园林）工具专用锂电电池包平台研究与应用

电动（园林）工具专用锂电电池包平台研究与应用

王海伟,张涛,马妙武

（浙江白马科技有限公司，浙江金华 321000）

（ Zhejiang Sunseeker Industrial Co., Ltd.，Jinhua，321000）

摘 要：围绕电动（园林）工具“锂电化”关键核心技术开展相关技术研究，开发电动工具专用锂电电池包平台，通过电压向下兼容控制器实现锂电池包跨电压平台应用，使得电池包的使用通配性大大增加，提高单一锂电池组的利用率。尤其是大容量高电压锂电池组可以通配低电压的其它工具，工作时间明显增长。 积极推动电动（园林）工具产业向着高附加值产品方向发展。

关键词：  电动（园林）工具、专用锂电、兼容性

一、概述

电动（园林）工具产品涵盖金属切割、磨砂、建筑、装配、林木加工、园林绿化类等全系列等全系列整机产品200余种，电动工具零配件2000余种，其动力输出不尽相同，不可能为每种产品开发专用锂电电池包，这样将耗费大量财力、人力、物力。有些多功能产品由一个机身带动多个工作部件，每个工作部件功能及驱动功率也不一样，这就需要有通用的锂电池包实现一个锂电池包可以兼容多个电压。因此，开发电动工具专用锂电电池包系统，实现锂电电池包跨电压平台匹配不同功率的电动工具或工作部件正常运行是电动（园林）工具行业发展的必然趋势，可以促进电动（园林）工具锂电化大潮的进一步发展。

二、国内外研究现状

纵观我国充电式电动（园林）工具产品现状，采用铅酸、镍铬、镍氢电池和有刷直流电机的产品居多，这类产品的附加值低、使用寿命短，其部分电池易对环境造成污染，正面临着被市场淘汰的风险。而锂电池、无刷电机的应用，对产品开发人员的要求高，除了常规的机械和电机技术外，还涉及到新材料、电子技术、计算机技术和软件技术。随着电动（园林）工具的发展呈现小型化、轻型化、无绳化的趋势，锂电池凭借其独特的优势，如能量密度大、循环寿命长、无记忆效应、无污染等在电动（园林）工具领域的发展非常迅速，从2011年占整个电动工具产量的30%左右到2018年的接近50%，发展十分迅速。除了其使电动工具小型化、便捷化外，锂电池在电动工具上使用从3串发展到6~10串，单个产品使用数量的增加，也会带来较大的增量，而且部分电动工具还配有备用电池。

虽然电动（园林）工具锂电化发展如此迅速，但是尚缺乏相对成熟的锂电电池包及其管理系统，即电池包平台。针对于手机和笔记本等高档的便携式电子设备，有相对成熟的锂电池管理方案，可给锂电池提供部分保护功能，但仅适合低功率的场合，主要针对单节锂电池或4节以下锂电池组；且大多采用专用集成芯片去控制，灵活性较差、不能适应快速发展的电子设备的需要。国外的锂电池保护与监控技术发展的比较早，技术也领先于国内水平。目前市场上有一些锂电池集成保护芯片，具有过放电检测、过充电检测、过电流检测、负载检测等功能。现有的这些集成保护芯片仅仅适合在低功率应用的场合，且大多是针对单节锂电池设计的。随着较大功率的便携式电动工具的出现和锂电池的广泛应用，单节锂电池已无法满足要求，可采用锂电池包来供电。特别是电池容量大，性能要求高的场合。同时，因不同设备对电源电压和容量的需求不同，锂电池组的充放电保护和监控，现在还没有统一的方案，急需研发电动工具专用锂电电池包平台来实现对不同电压需求的电动（园林）工具供电同时对电池包提供管理与保护，确保设备安全运行。

三、研究开发内容

1.电动工具专用锂电电池包平台开发

研究锂电池性能参数及充放电特性，结合多种类电动（园林）工具驱动功率的差异性，开发电动工具专用锂电电池包平台，实现对各串联锂电池的管理与保护。平台通过电压向下兼容控制器实现锂电池包跨电压平台应用，高电压电池包可以通过控制器降低到相应的低电压工具上使用，达到匹配不同功率的电动工具或工作部件的目的。平台实时采集锂电电池包的电压、电流和温度等参数并送入控制器进行处理，实时控制电池包的工作状态，保证其处于兼容及安全状态。

2.基于遗传算法优化模糊PID控制器并进行仿真分析

提出遗传优化全局搜索能力高、收敛速度快的自适应遗传算法，将其应用于优化无刷直流电机模糊PID控制系统。利用对模糊控制器规则及参数的双重优化提升无刷直流电机的控制性能。首先利用遗传算法对模糊控制规则进行离线优化，然后将控制规则嵌入到模糊控制器中运行，在运行过程中自适应调整模糊控制器参数，实现给定速度参考模型的自适应跟踪，具有控制灵活、适应性强等优点，同时又具有较高的控制精度和较好的鲁棒性，改善了传统模糊控制器在线调节效果不佳的缺陷，改善了控制器的性能，在负载突变的情况下具有较好的在线自调节能力。

3.基于无刷锂电电动园林工具的开发应用

基于以上无刷直流电机控制系统及锂电电池包平台研发相应便携式无刷锂电电动园林工具，实现不同驱动功率、不同功能的打草割灌机、链锯等园林工具或具有不同工作部件的多功能园林工具可以使用相同锂电电池包平台。此外，将工具头的插接接口和电力接口标准化，使得工具头和主机体可以任意组合，任意插接，拥有可插接快速更换移动电池包的接口和能转换电能的模块组。

四、技术应用和市场分析

随着锂电池的兴起，其便携式电动（园林）工具发展趋势逐渐倾向于采用无刷锂电控制系统， 2022年全球电动工具锂电池需求量7.26GWh。预计未来几年，装机量增速将会维持在10%左右波动。除了市场需求推动外，锂电池作为便携式电动工具的首选电池能源因其体积小、能量密度高、循环使用寿命长、环保等特点在政策上也得到了政府层面的支持，市场前景巨大，抢先占据这个细分市场就能在电动（园林）工具企业加速洗牌过程中做强做大。

五、结束语

目前的电动（园林）工具专用锂电电池包平台大多针对低功率场合及单节锂电池，缺少针对大功率、多节锂电池组的锂电电池包平台，不可兼容不同电压工具管理及保护功能。本文围绕电动（园林）工具“锂电化”关键核心技术开展相关技术研究，开发电动工具专用锂电电池包平台，通过电压向下兼容控制器实现锂电池包跨电压平台应用，使得电池包的使用通配性大大增加，提高单一锂电池组的利用率，积极推动电动（园林）工具产业向着高附加值产品方向发展。

项目资助：金华市主动设计重大项目（2020-1-002C）

第一作者（通讯作者）简介：

王海伟，男，1969年生，汉，浙江金华人，本科，浙江白马科技有限公司，工程师，主要从事电动园林工具研究。浙江省金华市江东工业园金德路988号，321000。